量子计算机,到底有多神奇?让计算速度“飞”起来

2015-12-24 19:37:20  科技日报
本文作者:刘 恕

量子计算机,到底有多神奇?让计算速度“飞”起来

2015-12-24 19:37:20
作者:刘 恕
来源:科技日报
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 量子计算机,到底有多神奇?

 D-Wave One内部图

 2011年5月11日,D-Wave公司发布了一款号称“全球第一款商用型量子计算机”D-Wave One

文·本报记者 刘 恕 综合报道

量子计算机最大的优势在于大幅缩短提取用户所需信息的时间,它可以在几天内解决传统计算机会花费数百万年才能处理的数据,因此未来的应用前景十分令人神往。

日前,谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展:在两次测试中D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。

经过与传统计算机的比较,谷歌称已证明其量子计算机确实可执行数学计算。

谷歌工程技术主管哈特马特·纳文表示,“这是一个值得我们欢欣鼓舞的结果,不过要将量子计算机带入我们的日常生活,技术人员们要做的工作还有很多。”

那么量子计算机到底为何物呢?让我们一起走近量子计算机,揭开它神秘的面纱。

让计算速度“飞”起来

正如电影《异次元骇客》中演绎得那般,在科技发达的时代,科学家们可以通过强大的计算机虚拟出一个城市,虚拟城市中的科学家又虚拟出一个城市。不管是第一层虚拟或者第二层虚拟,其中的人类生活得怡然自得,他们有思想,有感觉。没有人去怀疑世界的真实性,完全不知道自己是个人工智能。

事实上,完成如此巨大模拟并不是一件容易的事情。一个人类个体本身所具有的全部特点、微小的变化以及本身细胞之间的各种间接的作用联系,还有环境温度、大气变化等等将是一个难以估量的庞大数据,通用计算机将很难实现完全模拟,这就需要量子计算机来完成。

据来自蝌蚪五线谱的文章称,人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。早在1982年,颇有远见的美国著名物理物学家理查德·费曼在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。1985年,英国物理学家大卫·杜斯提出了量子图灵机模型。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少,从而量子计算机的概念诞生了。

目前,我们所有的计算机体系都是基于冯诺依曼式的组织结构,其运行速度的增长已经明显放缓,对于大规模数据的分析计算效率也很难再提高。量子计算的提出,则是旨在专门为复杂问题的求解设计一种全新的计算机体系,即所谓的量子计算机。

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

谷歌日前宣布D-Wave量子计算机在解决问题时能够比其他任何计算机都快出1亿倍,并且能够极大地推动人工智能的进步。据悉,谷歌此次宣布的重要佐证就是“量子退火”算法。这种算法确定了当面临一系列潜在解决方案时一个特定函数的全局极小值,即在给定一系列选项时,它能够确定完成一个任务所需的最优解决方案。谷歌对D-Wave计算机的量子计算法与传统计算机上模拟量子隧道效应的算法进行了比较,量子计算机再次获得了完胜。

基于量子计算的机器,由于体系结构发生了变化,将采用全新的算法,这使得大规模数据的计算与存储不再成为难题。业界人士认为,量子计算机的巨大突破将为云计算和大数据处理乃至整个计算机科学领域带来一场变革。

并行计算是最大优势

其实,量子计算机的计算原理和薛定谔的猫是一样的,利用的都是“量子叠加态”。这意味着计算机能同时尝试所有可能的解,以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。

按照传统算法,当用户需要提取某一个词组信息或者需要解决一个问题时,计算机要先把所有可能性列举出来并验证一遍才能得到正确的信息,而量子计算机能够直接计算并提取出相应信息。这种计算称为量子并行计算,也是量子计算机最重要的优越性。

量子计算的神奇之处在于,它可以做到真正的并行计算与存储。例如,一个数位的经典存储器可以存储两个数字0或者1,但在某一时刻这个数字要么是0要么是1;而对于量子比特存储器来说,在同一时刻,它可以同时存储0和1,其存储和运行能力都成指数上升,一个250量子比特的存储器可以存储的数字比我们已知宇宙所有的原子数还多。

想像一下,你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个字母“X”,这几乎是不可能的,因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中,每个现实都可以查看不同的书籍,你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中,普通计算机就是像疯子一样的那个你,需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个,每个只需翻找一本书即可。

这是量子计算机公司D-Wave联合创始人埃里克·勒迪辛斯基对其应用前景的解释。谷歌和NASA联合研究的量子计算机,其实就是从这个公司购买的。2013年,谷歌从D-Wave系统公司购买了一台量子计算机,并与NASA共同开展量子计算机的研究项目。D-Wave系统公司自2007年推出首台量子计算机开始就备受争议。一些学者认为由于量子形态并不稳定,量子计算机只是在理论层面可行。然而这次,谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

颠覆你未来的生活

谷歌宣布D-Wave2X的速度达到了传统芯片的1亿倍,实在是令人惊叹。量子计算机最大的优势莫过于大幅缩短提取用户所需信息的时间,因此它被认为可以在几天里解决传统计算机会花费数百万年时间才能处理的数据,未来的应用前景十分令人神往。

现在的天气预报大多是基于探测数据的推测,很难保证准确。但量子计算机可以一次分析所有数据,向我们提供更好的模型,精准地显示恶劣天气会在何时何地出现。我们可以提前预测飓风等极端天气,从而预留足够的时间拯救生命。

每天出行GPS可以帮你优化出最佳线路,但如果有了量子计算机,我们可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全都输入进去,让它计算出最优解,从而让人们彻底告别交通拥堵。

在研发药物方面,量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成,并将其中最可能有效的组合快速识别出,显著降低药物的研发成本和周期。

在探索太空方面,量子计算机可以处理望远镜视野中更多的数据,从而发现更多的行星,并迅速识别出最有可能存有生命体的行星。

尽管实现这些应用还有很长的路要走,但各大公司对量子计算机的研究绝不会停止,因为它能颠覆整个世界。一旦计算速度出现质的飞越,我们生活的方方面面都会被改变。

“落地”仍面临诸多难题

既然量子计算机已经研制成功,那为什么现在还没有普及呢?因为,它的运行条件要符合三个条件:真空环境、绝对零度和磁场保护。

量子力学是研究微观尺度的科学,要想控制计算机的量子位,其实就是需要操纵单个原子,因此条件是非常苛刻。原子在常温下的速度高达到数百米每秒,只有让原子保持在极低的温度状态,才能受控制。所以量子计算机D-Wave2X处理器温度一直稳定在-273℃,只比宇宙绝对零度高0.015℃而已。

除此之外,量子计算机还要放到比地球磁场弱50000倍(基本相当于没有磁场)、大气压比地球小100亿倍(基本相当于真空)的环境中,以保持量子态的稳定。

除了对环境要求严格,量子计算机在实际落地推广方面也会遇到一些障碍。由于量子计算机的计算方法完全不同,因此编程的方式也完全不同并且更加复杂。这意味着,对于程序员来说,要掌握一套比现有算法更为复杂的编程方式。

当然,计算机还有许多需要克服的技术问题,比如量子的不稳定性决定信息状态不稳定,这将影响到计算的准确性。

事实上,实现对微观量子态的操纵确实太困难,但这并不能妨碍人们进行大胆地探索与设想,也许不久的将来量子计算机就会出现在我们的生活中。

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科学家尝试用量子计算机创造时间旅行

据国外媒体报道,如果宇宙允许开放类时曲线,那么旅行者就不可以通过时间旅行回到某个时间点上,这样的曲线无法与过去产生任何相互作用。目前科学家试图利用量子信息验证这样的能力,事实证明一个未打开的消息是非常有用的。如果实验者发送过去实验室的纠缠信息,未来是否能够收到?纠缠是一个奇怪的现象,只在量子物理学领域出现,它创造了时间旅行各系统之间的相关性,这些相关性可帮助量子计算。

谷歌的研究人员戴维·培根在10年前就提出可以利用量子计算机快速解决一批问题,广义相对论可以通过时空扭曲创造封闭类时曲线,比如虫洞。但物理学家认为必须停止这样的机会出现的,因为这会威胁到因果关系。一个经典的例子是,一个人可以回到过去,杀死自己的祖父,否定自己的存在。

在过去的二十年内,研究人员已经在量子物理学领域尝试着打破封闭类时曲线,因为量子具有模糊性和不可克隆定理。新的研究表明,量子计算机可以解决这类问题,即使我们沿着开发的类时曲线,也不会产生因果关系,这样可以避免诸如祖父悖论情况出现。

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